本發(fā)明涉及PM_2.5監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，具體涉及一種基于GIS的PM_2.5可視化動態(tài)擴(kuò)散仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，我國多個省份發(fā)生嚴(yán)重的PM_2.5污染事件，對能見度及人們的身體健康產(chǎn)生了一定的影響和危害，及時準(zhǔn)確地預(yù)警PM_2.5濃度，對于評估空氣質(zhì)量，幫助人們合理安排出行具有重要意義。大氣擴(kuò)散模型是研究污染物擴(kuò)散規(guī)律的重要工具，但大氣擴(kuò)散模型的不足之處在于，模型計(jì)算的結(jié)果通常以數(shù)據(jù)文本文件的形式輸出，表現(xiàn)力不夠，對于非專業(yè)人士難以理解。自回歸(AR)模型是最基本、應(yīng)用最廣的時序模型，一段隨時間變化而又相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)序列，可以用AR模型加以描述。地理信息系統(tǒng)(GIS)是對氣象、地形、人口等地理信息進(jìn)行存儲和管理的工具，具有強(qiáng)大的空間表現(xiàn)能力，但其缺點(diǎn)是缺乏必要的數(shù)據(jù)分析和處理能力。

國內(nèi)外對PM_2.5的研究已初具成果，但仍有不足。比如，目前已有的用于PM_2.5濃度擴(kuò)散的仿真系統(tǒng)，大多只能進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)模擬，未考慮氣象數(shù)據(jù)如風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度等參數(shù)的各向異性問題；現(xiàn)有系統(tǒng)中GIS與大氣擴(kuò)散模型結(jié)合的案例存在模型簡單、可視化程度不高等問題。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于GIS的PM_2.5可視化動態(tài)擴(kuò)散仿真系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種可在時間和空間上動態(tài)預(yù)測PM_2.5濃度并用GIS實(shí)現(xiàn)可視化結(jié)果的動態(tài)擴(kuò)散仿真系統(tǒng)。本發(fā)明通過AR模型、擴(kuò)散擬合計(jì)算引擎AUSPLUME、GIS相結(jié)合，動態(tài)預(yù)測PM_2.5在時間和空間上的擴(kuò)散濃度分布，并對擴(kuò)散結(jié)果進(jìn)行可視化，直觀地反映出PM_2.5隨時間擴(kuò)散后的濃度分布及影響范圍變化，同時在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)AR模型、擴(kuò)散模型與GIS的數(shù)據(jù)交換，使之便于操作、減少出錯率。本發(fā)明所采用的的技術(shù)方案是：

一種基于GIS的PM_2.5可視化動態(tài)擴(kuò)散仿真系統(tǒng)，包括如下內(nèi)容：

1)根據(jù)包括排放源溫度、高度、出口直徑在內(nèi)的特征數(shù)據(jù)以及包括污染源周圍風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度等級在內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，利用高斯煙羽模型計(jì)算引擎AUSPLUME對排放到大氣中的PM_2.5的擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，得到當(dāng)前PM_2.5濃度分布情況的文本文件；

2)結(jié)合AUSPLUME得到的當(dāng)前PM_2.5濃度分布情況，使用AR模型選擇合適的階數(shù)預(yù)測未來5小時、未來24小時的PM_2.5濃度擴(kuò)散情況，結(jié)果保存在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server中；

3)利用ArcGIS的二次開發(fā)引擎ArcGIS Engine將SQL Server、高斯煙羽模型計(jì)算引擎AUSPLUME與GIS進(jìn)行集成，集成后的系統(tǒng)GIS在內(nèi)部調(diào)用AUSPLUME的計(jì)算結(jié)果與SQL Server中的PM_2.5未來濃度預(yù)測結(jié)果；

4)利用GIS中的數(shù)據(jù)集追加功能，將計(jì)算出來的濃度數(shù)據(jù)賦予給網(wǎng)格區(qū)域面數(shù)據(jù)集；

5)建立空間及屬性數(shù)據(jù)庫；將網(wǎng)格區(qū)域面數(shù)據(jù)集中的空間數(shù)據(jù)以GIS圖層的形式存儲到空間數(shù)據(jù)庫中；屬性信息主要是以表格形式存儲的空間對象的屬性信息，包括學(xué)校、醫(yī)院、住宅小區(qū)在內(nèi)的敏感點(diǎn)的位置坐標(biāo)及人口數(shù)目；

6)將上一步的結(jié)果生成GIS中的濃度圖層，利用反距離加權(quán)法IDW對濃度圖層進(jìn)行插值處理，生成柵格圖層，然后從柵格圖層中提取出等值線，在ArcGIS Engine的MapControl控件中，與基礎(chǔ)地理圖層進(jìn)行疊加顯示，實(shí)現(xiàn)PM_2.5當(dāng)前濃度的可視化結(jié)果；

7)設(shè)定合適的時間間隔，依次通過區(qū)域濃度疊加顯示未來5小時、未來24小時的擴(kuò)散濃度可視化結(jié)果。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下有益效果：

1)本發(fā)明可動態(tài)預(yù)測PM_2.5未來一段時間的濃度擴(kuò)散情況，解決了現(xiàn)有仿真系統(tǒng)只能進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)模擬的問題。

2)本發(fā)明提高了大氣擴(kuò)散模型的表現(xiàn)力，即可視化程度。以等值線、受污染區(qū)域范圍等動態(tài)可視化形式輸出結(jié)果，直觀的反映出污染物隨時間擴(kuò)散后的濃度分布，并且對受污染的程度進(jìn)行分級顯示與標(biāo)注。

3)可根據(jù)可視化后的擴(kuò)散預(yù)警結(jié)果，疊加敏感區(qū)域信息、人口信息等數(shù)據(jù)，迅速確定出隨時間變化后的受影響的區(qū)域和人員信息，進(jìn)而為大氣污染事故的處理提供支持。

附圖說明

圖1是基于GIS的PM_2.5可視化動態(tài)擴(kuò)散仿真系統(tǒng)技術(shù)流程圖

圖2是基于GIS的PM_2.5可視化動態(tài)擴(kuò)散仿真系統(tǒng)主要控件屏幕輸出圖(由于是屏幕直接拷貝的圖，清晰度受到限制，但從圖中可以看到主要控件)

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

基于GIS的PM_2.5可視化動態(tài)擴(kuò)散仿真系統(tǒng)技術(shù)流程如圖1所示，具體包括以下步驟：

步驟一利用擴(kuò)散計(jì)算引擎AUSPLUME進(jìn)行擴(kuò)散濃度計(jì)算。輸入擴(kuò)散模型計(jì)算過程所需要數(shù)據(jù)之后，將輸出PM_2.5濃度文本文件。

步驟二利用AR模型預(yù)測未來5小時、未來24小時PM_2.5的擴(kuò)散濃度。使用階次為5階的AR模型預(yù)測未來5小時的PM_2.5區(qū)域擴(kuò)散濃度，使用階次為7階的AR模型預(yù)測未來24小時的PM_2.5區(qū)域擴(kuò)散濃度，結(jié)果保存在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server中。

步驟三通過緊密耦合的方式用ArcGIS的二次開發(fā)引擎ArcGIS Engine將SQL Server、擴(kuò)散計(jì)算引擎AUSPLUME與GIS進(jìn)行集成，開發(fā)語言為C#，集成后的系統(tǒng)GIS在內(nèi)部調(diào)用AUSPLUME的計(jì)算結(jié)果與SQL Server中的PM_2.5未來濃度預(yù)測結(jié)果。

步驟四利用GIS中的數(shù)據(jù)集追加功能，追加3列網(wǎng)格區(qū)域面數(shù)據(jù)集，將AUSPLUME引擎及AR模型得到的當(dāng)前濃度、未來5小時、未來24小時濃度賦予給追加的網(wǎng)格區(qū)域面數(shù)據(jù)集。

步驟五使用ArcSDE將空間數(shù)據(jù)以GIS圖層的形式存儲到空間數(shù)據(jù)庫中，屬性信息保存在SQL Server數(shù)據(jù)庫中。調(diào)用空間數(shù)據(jù)庫中存儲的受體坐標(biāo)及濃度數(shù)據(jù)；然后建立要素類，將圖層中各要素(即受體位置點(diǎn))的坐標(biāo)、濃度值等數(shù)據(jù)存儲到屬性數(shù)據(jù)表中；最后將新建的要素類生成濃度圖層添加到程序的MapControl控件中。

步驟六使用反距離加權(quán)法(IDW)對上一步生成的濃度圖層進(jìn)行插值處理。使用ArcGISEngine中的ISurfaceOp接口中提供的Contour方法從柵格圖像中提取等值線。按照污染等級劃分的邊界值，分級提取等值線之后，對臨近等值線之間的區(qū)域進(jìn)行提取和填充，完成PM_2.5當(dāng)前濃度、未來5小時、未來24小時濃度的等值線填充區(qū)域可視化效果。

步驟七重寫ArcGISEngine中的IDynamicLayer.DrawDynamicLayer中的程序，依次對PM_2.5未來5小時、未來24小時的濃度可視化結(jié)果進(jìn)行區(qū)域濃度疊加，動態(tài)顯示PM_2.5的擴(kuò)散過程。

以上步驟中所出現(xiàn)的系統(tǒng)相關(guān)控件如圖2所示。

對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的基礎(chǔ)上還可以對本發(fā)明的技術(shù)過程做一些改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)與潤飾也應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容。本實(shí)施例中未明確說明實(shí)現(xiàn)過程的均可通過現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。